초음파 파쇄: 습윤, 용해, 분산

초음파 파쇄기는 입자와 분말을 액체에 습윤, 분산 또는 용해하는 데 널리 사용됩니다. 고성능 초음파 처리기는 강력한 전단력을 생성하여 집합체, 응집체 및 일차 입자를 미세 크기 또는 나노 크기로 부수고 파쇄합니다. 음향 캐비테이션 장에서 입자를 균일하게 처리하면 좁은 입도 분포와 균일한 입자 표면을 얻을 수 있습니다.

초음파 파쇄기와 그 응용 분야

초음파 파쇄기는 강력한 전단력을 제공하여 입자, 결정 및 섬유와 같은 고체에 필요한 충격을 가함으로써 이를 파쇄하고 마이크로미터 또는 나노 크기와 같은 목표 크기로 줄입니다. 고전단 블레이드 믹서, 고압 균질기, 비드 밀, 마이크로플루이다이저 등의 다른 파쇄 방법과 비교할 때 초음파 파쇄기는 몇 가지 주요 이점을 제공합니다.

초음파 파쇄기의 장점

• 고강도 캐비테이션 및 전단
• 균일한 입자 처리
• 높은 고형분 농도
• 노즐 없음 / 막힘 없음
• 분쇄 매체(즉, 비드) 불필요
• 선형 확장성
• 쉽고 안전한 작동
• 용이한 세척
• 높은 시간 및 에너지 효율

 

프로브형 초음파 파쇄기의 작동 원리는 음향 캐비테이션의 발생에 기반합니다. 초음파 프로브를 통해 고강도 초음파가 공정 매질(즉, 액체 또는 슬러리)로 전달됩니다. 초음파는 액체를 통과하면서 고압과 저압이 교대로 반복되는 주기를 생성합니다. 저압 주기 동안 캐비테이션 기포라고 하는 미세한 진공 기포가 발생합니다. 이러한 캐비테이션 기포는 여러 압력 주기에 걸쳐 성장하며, 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달합니다. 이 시점에서 캐비테이션 기포는 격렬하게 내파하여 매우 높은 온도와 압력, 극심한 온도차와 압력차(높은 가열 / 냉각 속도와 압력 변동에 기인), 미세 난류, 최대 180m/s 속도의 액체 흐름과 같은 극한 조건을 국소적으로 생성합니다. 고속 액체 흐름이 매질 내 입자를 가속하여 서로 충돌하게 하므로, 이러한 조건은 매질 내 입자에 상당한 기계적 영향을 미칩니다. 입자 간 충돌로 고체 물질(예: 입자, 섬유, 세포)이 침식되고 부서지며 마이크로미터 및 나노 크기의 조각으로 파쇄됩니다.
초음파 처리로 생성되는 강한 난류는 상 사이의 물질 전달을 증가시켜 분말의 용해 또는 불균일계 화학 반응을 촉진합니다. 따라서 초음파 파쇄기는 분쇄, 분산, 유화 및 용해와 같은 공정을 강화하는 데 선호되는 도구입니다.

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초음파 파쇄기의 응용 분야

• 분쇄 및 미분쇄
• 해응집 및 분산
• 유화
• 분말 용해
• 물질 전달 향상
• 음향화학 반응

입자 크기 감소를 위한 초음파 파쇄기

초음파 파쇄기는 일차 입자의 실제 분쇄(분쇄라고 함)이든 응집체의 해체(해응집 / 분산이라고 함)이든, 입자 크기 감소 및 입자 분포를 위해 사용됩니다.

분쇄 및 미분쇄를 위한 초음파 파쇄기

초음파로 생성된 캐비테이션은 강력한 전단력을 발생시키며, 이에 따라 입자 간 충돌을 유발합니다. 슬러리 내 고체는 분쇄 매체로 작용합니다(비드 밀 또는 펄 밀의 비드나 펄과 유사). 이 고체들은 캐비테이션에 의해 발생하는 액체 흐름에 의해 가속되며, 이러한 흐름은 최대 180m/s의 속도에 쉽게 도달합니다. 입자들이 이처럼 엄청난 속도로 서로 충돌하면 부서지고 파쇄되어 마이크로미터 및 나노미터 크기의 파편이 됩니다. 초음파 파쇄기는 일차 입자까지도 파쇄할 수 있습니다. 초음파 플로우 셀 반응기는 모든 입자가 균일하게 처리되도록 하므로, 초음파 분쇄를 통해 좁은 입도 분포를 얻을 수 있습니다.
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응집 해체 및 분산용 초음파 파쇄기

초음파 공정 매개변수는 매우 정밀하게 제어할 수 있으므로, 높은 진폭과 상승된 압력을 적용하면 초음파 파쇄기로 일차 입자를 분쇄할 수 있습니다. 한편, 초음파 파쇄 시스템은 더 낮은 진폭과 더 온화한 조건에서도 작동할 수 있으므로, 입자의 구조와 표면은 온전하게 유지하면서 응집체를 해체하고 개별 입자를 슬러리 내에 균일하게 분산시킬 수 있습니다.
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흄드 실리카의 초음파 분산: Hielscher 초음파 균질기 UP400S는 실리카 분말을 개별 나노입자로 빠르고 효율적으로 분산시킵니다.

유화용 초음파 파쇄기

서로 섞이지 않는 두 액체(예: 물과 오일)를 초음파 처리하면 초음파 캐비테이션이 액적을 파쇄합니다 – 이로써 서로 섞이지 않는 두 상의 매우 작은 액적이 생성되고, 이후 이 액적들이 서로 혼합됩니다. 초음파 파쇄기는 나노미터 크기의 액적을 쉽게 생성하므로, 안정화된 초음파 에멀션은 장기 안정성과 맑고 투명한 외관을 나타냅니다.
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용해용 초음파 파쇄기

초음파 파쇄기는 빠르고 간편하며 안전한 절차로 분말과 정제를 용해하는 데 사용됩니다. 초음파로 생성된 캐비테이션은 고체 표면을 침식하고 침식된 파편을 액체로 이동시켜 균질한 용액을 만듭니다.
제약 산업에서 정제 용해는 분석 목적 등으로 일상적으로 수행되는 작업입니다. 정제가 수성 환경에 노출되면 매우 오랜 시간이 걸리는 과정을 거쳐 서서히 용해됩니다. 일반적인 교반기나 블레이드 교반기를 사용하더라도 정제를 완전히 용해하는 데는 여전히 많은 시간이 걸립니다. 초음파 캐비테이션과 그에 따른 매우 강력한 전단력은 정제에서 입자를 분리하여 희석액으로 이동시키며, 이를 통해 정제 표면과 신선한 불포화 희석액 사이의 물질 전달이 지속적으로 이루어지도록 합니다. 따라서 초음파 용해는 매우 빠르고 효율적인 공정으로, 약물 용해를 가속하는 데 도움이 됩니다.
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용해는 고출력 초음파 처리의 다양한 응용 분야 중 하나입니다. 이 영상에서는 Hielscher UP200St로 젤리베이비 사탕을 물에 빠르게 용해하는 과정을 보여 드립니다.

기계식 파쇄기는 어떻게 작동하나요?

실험실용 초음파 파쇄기는 산업용 파쇄기와 동일한 기계적 원리를 사용합니다. 파쇄 혼합 시스템은 응집체와 집합체를 파쇄하고, 고형물을 용해하거나 액체 혼합물에 고체 입자를 분산시킵니다. 초음파 파쇄에서는 배치 탱크 또는 인라인 플로우 셀 반응기에 고강도 초음파 프로브를 설치하여 사용합니다. 초음파 파쇄기의 프로브(소노트로드)는 액체 내에서 매우 높은 주파수로 진동하여 강력한 초음파 캐비테이션을 발생시킵니다. 각 캐비테이션 기포가 붕괴할 때마다 강력한 전단력이 발생하여 응집체, 집합체, 심지어 일차 입자까지 파쇄합니다. 또한 초음파 캐비테이션은 최대 1000km/h의 고속 캐비테이션 유동을 발생시킵니다. 캐비테이션 액체 제트는 입자 응집체에 충돌하고, 세포벽을 파열시키며, 슬러리 내 물질 전달을 향상시키고, 액체 전체에 고체를 분산시킵니다. 초음파 캐비테이션 장에서는 압력이 진공과 최대 1000bar 사이를 빠르게 반복적으로 오갑니다. 혼합 블레이드가 4개인 회전식 혼합기가 동일한 주파수의 교번 압력 주기를 구현하려면 무려 300,000 RPM으로 작동해야 합니다. 기존의 회전식 혼합기와 로터–스테이터 혼합기는 속도 제한으로 인해 유의미한 양의 캐비테이션을 발생시키지 못합니다.

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실험실용 초음파 파쇄기

프로브형 초음파 장치는 모든 실험실에서 매우 유용한 도구입니다. 초음파 프로브(소노트로드라고도 함)는 형태가 단순하고 세척이 쉬운 티타늄 봉으로, 초음파 진동을 액체에 전달합니다. Hielscher는 다양한 크기의 초음파 프로브와 팁을 제조합니다. 실험실에서 가장 일반적으로 수행하는 고체 파쇄에는 팁 직경이 3, 7, 14 또는 22mm인 초음파 프로브가 매우 유용합니다. 다른 크기의 프로브와 맞춤 크기의 초음파 프로브도 제공됩니다. 실험실 파쇄에 사용되는 일반적인 초음파 장치의 초음파 출력은 100–400와트입니다.

산업용 초음파 파쇄기

Hielscher 산업용 파쇄기는 대용량 슬러리 흐름을 고부하 조건에서 연속 파쇄하도록 설계된 고출력 초음파 프로세서입니다. 이 산업용 시스템은 고형물 농도가 높은 경우에도 쉽게 처리할 수 있습니다. 산업용 초음파 프로브에는 강철 탱크, 유리 반응기 또는 플라스틱 용기에 어떤 방향으로든 장착할 수 있는 플랜지가 장착되어 있습니다. 초음파 처리 용기나 플로우 셀에 압력을 가하면 음향 캐비테이션이 강화되어 초음파 처리 공정이 강화됩니다. 일반적인 산업용 초음파 파쇄 장비의 초음파 출력은 소노트로드당 1000–16,000와트입니다.

초음파 파쇄가 널리 사용되는 산업 분야:

• 고체/액체 제형의 분산, 용해, 혼합
• 재료 과학
• 분석 전 시료 전처리
• 나노입자 응용 분야
• 입자 기능화
• 상간 이동 반응
• 결정화 / 침전
• 식품 가공
• 제지 산업
• 바이오매스 소화

적합한 초음파 파쇄기를 구매하려면?

Hielscher Ultrasonics는 입자를 분산 및 파쇄하거나 액체에 분말을 용해하는 데 사용되는 고성능 초음파 파쇄기를 오랜 경험을 바탕으로 제조하는 기업입니다. 시장을 선도하는 Hielscher는 실험실 및 벤치탑 규모부터 완전한 산업 규모까지 초음파 파쇄기와 균질기를 설계, 제조 및 공급합니다.

귀사의 응용 분야와 요구 사항에 가장 적합한 초음파 파쇄기를 찾을 수 있도록 다음 질문에 대한 답을 함께 찾아드립니다:

• 목표 응용 분야는 무엇인가요?
• 일반적으로 처리해야 하는 부피는 얼마인가요?
• 공정의 핵심 요인은 무엇인가요?
• 충족해야 하는 품질 기준은 무엇인가요?

충분한 교육과 경험을 갖춘 저희 직원들이 모든 질문에 답변하고 공정 구상을 도와드립니다. Hielscher Ultrasonics는 고객이 최적의 초음파 장치를 찾을 수 있도록 초음파 공정에 관한 심층적인 상담을 제공합니다. Hielscher의 서비스는 여기서 끝나지 않습니다. 고객의 공정 개발, 최적화 및 스케일업을 지원하기 위해 고객 시설 또는 저희 초음파 공정 실험실과 기술 센터에서 고객 교육을 실시합니다.
Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 단단한 입자와 응집체를 파쇄하거나 고형분 농도가 높은 슬러리를 처리하는 데 필요한 매우 높은 진폭을 손쉽게 제공합니다. Hielscher 산업용 파쇄기는 최대 200µm의 진폭으로 하루 24시간, 주 7일 연속 운전할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 부스터 혼, 플로우 셀, 초음파 처리 반응기 및 완전한 재순환 설비와 같은 추가 액세서리도 쉽게 구할 수 있으며, 이를 통해 공정 요구 사항에 맞게 초음파 시스템을 구성할 수 있습니다.

정교한 초음파 파쇄기 및 용해기

Hielscher Ultrasonics는 최고의 사용자 편의성과 최첨단 기술을 갖춘 고성능 파쇄기에 주력합니다. 이는 Hielscher 실험실용 파쇄기의 수준이 산업용 기계의 지능화 수준에 점점 더 가까워지고 있음을 의미합니다. 사용자는 브라우저 원격 제어를 통해 Hielscher의 디지털 초음파 장치를 제어할 수 있습니다. 자동 데이터 기록 소프트웨어는 순전력, 총전력, 진폭, 온도, 압력, 시간 및 날짜와 같은 모든 주요 초음파 매개변수를 내장 SD 카드에 CSV 파일로 기록합니다. 또한 초음파 파쇄기는 정해진 시간이 지나거나 특정 에너지 투입량에 도달하면 자동으로 꺼지도록 프로그래밍할 수 있으며, 펄스 초음파 처리 모드도 설정할 수 있습니다. 연결형 온도 및 압력 센서로 시료 상태를 면밀하게 추적할 수 있습니다. 열에 민감한 물질의 온도 제어는 공정 결과의 품질을 좌우하는 핵심 요소이므로, Hielscher는 공정 온도를 목표 온도 범위 내로 유지할 수 있는 다양한 솔루션을 제공합니다.
Hielscher 초음파 장치의 정교한 기능은 최고 수준의 공정 제어, 신뢰할 수 있고 재현 가능한 초음파 처리 결과, 사용자 친화성 및 작업 편의성을 보장합니다.
Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로 하루 24시간, 주 7일 손쉽게 연속 운전할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 이러한 높은 진폭으로 운전할 수 있어 고객은 일차 입자를 나노 크기로 효과적으로 분쇄할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비의 견고성은 고부하 조건과 까다로운 환경에서도 하루 24시간, 주 7일 운전을 가능하게 합니다.
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품질 – 독일 제조

가족이 소유하고 운영하는 기업인 Hielscher는 초음파 프로세서의 높은 품질을 자랑스럽게 생각합니다. 모든 초음파 장치는 독일 베를린 인근 텔토에 있는 본사에서 설계, 제조 및 시험됩니다. Hielscher 초음파 장비의 견고성은 고부하 조건과 까다로운 환경에서도 하루 24시간, 주 7일 운전을 가능하게 합니다.

Hielscher 초음파 파쇄기는 다양한 크기로 구매할 수 있으며, 폭넓은 가격대에서 예산에 맞는 합리적인 가격의 초음파 장치를 선택할 수 있습니다. 소형 실험실 바이알에서의 입자 파쇄부터 산업 생산에서의 슬러리 연속 흐름 파쇄까지, Hielscher Ultrasonics는 고객에게 적합한 파쇄기를 갖추고 있습니다! 문의해 주시면 가장 적합한 초음파 장치를 기꺼이 추천해 드리겠습니다!
아래 표는 저희 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: